Variation des traits le long des gradients environnementaux : r^olede l'int´egrationph´enotypique et de la variabilit´eau sein des clades Marie Hermant To cite this version: Marie Hermant. Variation des traits le long des gradients environnementaux : r^ole de l'int´egrationph´enotypique et de la variabilit´eau sein des clades. Ecologie, Environnement. Universit´eRennes 1, 2011. Fran¸cais. <tel-00588294> HAL Id: tel-00588294 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00588294 Submitted on 22 Apr 2011 HAL is a multi-disciplinary open access L'archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destin´eeau d´ep^otet `ala diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publi´esou non, lished or not. The documents may come from ´emanant des ´etablissements d'enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche fran¸caisou ´etrangers,des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou priv´es. N° d’ordre : 4324 ANNEE 2010 THÈSE / UNIVERSITÉ DE RENNES 1 sous le sceau de l’Université Européenne de Bretagne pour le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE RENNES 1 Mention : Biologie Ecole doctorale Vie Agro Santé présentée par Marie Hermant préparée à l’UMR 6553 ECOBIO Equipe Ecologie de la Diversification Ecosystèmes Biodiversité Evolution (UFR Sciences de la Vie et de l’Environnement) Variation des traits le Thèse soutenue à Rennes le 7 février 2011 long des gradients devant le jury composé de : environnementaux : Peter CONVEY Pr. British Antarctic Survey / Rapporteur rôle de l’intégration Wilfried THUILLER phénotypique et de la CR CNRS Grenoble / Rapporteur Serge AUBERT variabilité au sein des MC Univ. Grenoble 1 / Examinateur Eric GARNIER clades DR CNRS Montpellier / Examinateur Gabrielle THIEBAUT Pr. Univ. Rennes 1 / Examinateur Andreas PRINZING Pr. Univ. Rennes 1 / Directeur de thèse Françoise HENNION CR CNRS Rennes / Co-directrice de thèse Sommaire SOMMAIRE 1 REMERCIEMENTS 5 INTRODUCTION GENERALE 9 I. De quoi parlons-nous ? 9 I.1. Définition d’un trait 9 I. 2. Définition de l’environnement 10 II. L’étude de la variation des traits avec l’environnement 10 II.1. La moyenne des attributs de traits 10 II.2. Variabilité intraspécifique des attributs de traits 11 II.3. Variabilité interspécifique des attributs de traits 12 II.4. Corrélation entre les traits et l’environnement 13 III. Aspects peu étudiés de la variation des traits avec l’environnement 15 III.1. L’intégration phénotypique et environnementale au sein des espèces 15 III.1.1. Définition de l’intégration phénotypique 15 III.1.2. Définition de l’intégration environnementale 18 III.1.3. Intégration phénotypique et environnement 19 III.1.4. Rôle potentiel de l’intégration phénotypique et environnementale dans l’endémisme 20 III.2. La variabilité phénotypique réalisée au sein des clades 21 III.2.1. Définition de la variabilité phénotypique réalisée au sein des clades 21 III.2.2. Variabilité phénotypique réalisée au sein des clades et environnement abiotique 22 III.2.3. Variabilité phénotypique réalisée au sein des clades et interactions biotiques 25 III.2.4. Implication d’une relation entre la variabilité phénotypique réalisée au sein des clades et l’environnement abiotique et biotique 26 IV. Systèmes biologiques étudiés 28 IV.1. Les espèces végétales des îles subantarctiques 28 IV.1.1. Biogéographie 28 IV.1.2. Pourquoi travailler sur les espèces végétales des Îles Crozet et Kerguelen ? 29 IV.1.3. Les espèces végétales étudiées dans la thèse 32 IV.1.4. Conditions environnementales dans les îles Crozet et Kerguelen 35 IV.1.4.1. Les habitats des îles Crozet et Kerguelen 35 IV.1.4.2. Changement climatique dans les îles Crozet et Kerguelen 36 IV.2. Les genres d’Angiospermes de l’Europe Centrale 38 IV.2.1. Pourquoi travailler sur les genres d’Angiospermes de l’Europe Centrale ? 38 IV.2.2. Les traits d’histoire de vie 39 IV.2.3. Les données de coexistence 40 IV.2.4. Conditions environnementales en Europe Centrale 40 CHAPITRE I – PLANTS SHOW DIFFERENT TYPES OF RESPONSES TO THE ENVIRONMENT AT DIFFERENT SCALES: TRAIT MEANS AND PHENOTYPIC INTEGRATION 43 I. Abstract 46 II. Introduction 47 1 Sommaire III. Materials and Methods 49 III.1. Material 49 III.1.1. Study area 49 III.1.2. Study species 50 III.2. Sampling 51 III.3. Trait measurements 52 III.3.1. Raw measurements 52 III.3.2. Ratios 52 III.3.3. Trait correlations 53 III.4. Statistical analysis 54 IV. Results 55 IV.1. Changes in mean traits: mainly at large spatial scales 55 IV.2. Changes in trait correlations: mainly at small spatial scales 57 IV.3. Comparison between small and large spatial scale: few significant differences between effect sizes 57 V. Discussion 60 V.1. Phenotypic responses of P. antiscorbutica to altitude 60 V.1.1. Response to abiotic conditions at high altitudes 60 V.1.2. Inverse changes in the relative importance of competition and abiotic stress with altitude 61 V.2. Phenotypic responses to altitude depend on the spatial scale 62 VI. Conclusion 63 VII. Acknowledgements 64 VIII. References 64 CHAPITRE II – ENDEMIC SPECIES HAVE HIGHLY INTEGRATED PHENOTYPES, ENVIRONMENTAL DISTRIBUTIONS AND PHENOTYPE/ENVIRONMENT RELATIONSHIPS 69 I. Abstract 72 II. Introduction 73 III. Material and Methods 76 III.1. Study sites 76 III.2. Study species 77 III.3. Phenotypic and environmental sampling 80 III.4. Data analyses 80 III.4.1. Mean phenotype and phenotypic variability 80 III.4.2. Mean environmental position and variability 81 III.4.3. Phenotypic and environmental integration 81 III.4.4. Correlations between traits and abiotic variables 82 III.4.5. Phylogenetic positions, origins and life-histories of species 83 IV. Results 83 IV.1. Phenotypic and environmental mean values and variabilities 83 IV.2. Phenotypic integration 84 IV.3. Environmental integration 85 IV.4. Correlations between traits and abiotic environment 86 IV.5. Phylogenetic positions, origins and life-histories of species 86 V. Discussion 87 VI. Conclusion 92 VII. Acknowledgments 93 2 Sommaire VIII. References 93 IX. Supporting information 101 CHAPITRE III – DISPARATE RELATIVES: LIFE HISTORIES VARY MORE IN GENERA OCCUPYING INTERMEDIATE ENVIRONMENTS 111 I. Abstract 114 II. Introduction 115 III. Materials and Methods 120 III.1. Databases 120 III.2. Age of genera 121 III.3. Trait variability within genera 123 III.4. Trait variability realized within genera along abiotic gradients 123 III.5. Trait variability realized within the species-pool along abiotic gradients 124 III.6. Relationship between variabilities of a trait within genera and the correlation of this trait to abiotic gradients 125 IV. Results 126 IV.1. Trait variability differed between genera 126 IV.2. Trait variability did not depend on age of genera 127 IV.3. Trait variability within genera is higher under intermediate abiotic conditions 127 IV.4. Relationships between environment and trait variabilities within genera differ from those across the species pool 130 IV.5. High trait variability in genera showing little correlation of traits to abiotic gradients 130 V. Discussion 133 VI. Conclusion 136 VII. Acknowledgments 137 VIII. References 137 IX. Supporting information 145 CHAPITRE IV – SPECIES COEXISTENCE AND TRAIT VARIABILITY WITHIN GENERA: MORE PARTNERS, MORE TRAITS? 163 I. Abstract 166 II. Introduction 167 III. Material & methods 170 III.1. Species coexistence within genera 170 III.2. Trait variability within genera 170 III.3. Abiotic position of genera 173 III.4. Ecological strategies of genera 173 III.5. Ages of genera 174 III.6. Statistical analyses 174 III.6.1. Interspecific coexistence within genera 174 III.6.2. Relationships between interspecific coexistence within genera and their abiotic position, competitiveness, ruderalness and age 174 III.6.3. Relationships between mean interspecific coexistence and trait variability within genera 175 IV. Results 176 IV.1. Interspecific coexistence differs between genera 176 IV.2. Interspecific coexistence of genera depends on their abiotic positions, their competitiveness, their ruderalness and their age 177 IV.3. Interspecific coexistence of genera is related to variability of some traits 180 3 Sommaire V. Discussion 183 VI. Conclusion 187 VII. Acknowledgments 188 VIII. References 188 IX. Supporting information 195 CONCLUSIONS & PERSPECTIVES 207 I. Conclusions générales 208 I.1. Intégration phénotypique et environnementale 208 I.2. Variabilité des traits réalisée au sein des clades 212 II. Perspectives 216 II.1. Intégration phénotypique au sein des clades 216 II.2. Héritabilité de l’intégration phénotypique 216 II.3. Diversification des traits au sein des clades 217 II.4. Rôle des interactions biotiques 217 II.5. Rôle du métabolome dans les patterns d’intégration phénotypique 219 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 221 LISTE DES FIGURES 247 LISTE DES TABLEAUX 249 LISTE DES APPENDICES 251 COMMUNICATIONS SCIENTIFIQUES 253 ANNEXE - IMPACT OF WARMING ON ABUNDANCE AND OCCURRENCE OF FLATFISH POPULATIONS IN THE BAY OF BISCAY (FRANCE) 255 4 Remerciements Ce pavé de 250 pages n’aurait jamais vu le jour sans toutes les personnes qui m’ont entourée, accompagnée et soutenue pendant ces trois années de thèse. Le moment est venu de les remercier. MERCI à mes directeurs de thèse, Françoise Hennion et Andreas Prinzing, pour votre soutien, et vos conseils apportés tout au long de ces trois années. Merci pour votre grande disponibilité, malgré vos emplois du temps chargés. MERCI à tous les membres de mon comité de thèse pour vos remarques constructives qui m’ont aidée à maintenir le cap et à développer un fil directeur commun aux deux approches de la thèse. MERCI à Wilfried Thuiller et Peter Convey d’avoir accepté de rapporter ma thèse, et à Serge Aubert, Eric Garnier et Gabrielle Thiébaut pour avoir accepté d’être examinateurs. MERCI à mon tuteur, Olivier Le Pape, pour ton aide et ton soutien lors des moments difficiles.